永磁同步电机系统在电动叉车上的应用
扫描二维码
随时随地手机看文章
引言
近年来,随着人们对环境污染危害的深刻认识,环保已 成为世界共同关注的焦点。因此,电动叉车等以蓄电池为动力 源的各种蓄电池车辆得到了快速的发展。电动叉车具有能量 转换效率高、噪声小、无废气排放、控制方便等优点,在车间、 仓库、自动仓储系统、大型超市等对环境条件要求较高的场 合得到了广泛的应用。目前,欧美等发达国家电动叉车所占叉 车总量比例已达60%,国内电动叉车所占比例仅为20%左右。 电动叉车现已突破原来只能用于小吨位作业的局限,逐步由室 内走向室外,市场需求逐年上升。
1电动叉车驱动电机
电动叉车的发展推动了其驱动电机及其控制系统的不断 革新。电机及其控制系统种类很多,国内电动叉车主要采用的 是直流电机,包括串激直流电机、并激直流电机、复励直流 电机等。虽然直流电机具有很多特点,比如调速性能好、调 速范围广起动转矩大、易于控制等,但由于直流电机含有接 触电刷,致使运行时容易出现换向故障和其他机械故障,噪 声较大,寿命较低,需要经常维护,所以近几年异步电机的应用有越来越多的趋势,永磁同步电机、开关磁阻电机等亦有 应用。从各种电机的特点来看,异步电机可靠性高,永磁同步 电机则综合性能优良,但异步电机与永磁同步电机控制系统 都面对控制器成本较高的问题。表1所列是各种电动叉车驱动 电机的性能比较。
从表1中可以看出,永磁同步电机综合性能超过其他类型的电机,是非常理想的电动叉车驱动电机。随着计算机技术、 传感器技术及电力电子技术的发展,永磁同步电机系统在电动 车辆领域将有更广的应用。
针对以上分析,本文介绍了一套电动叉车用永磁同步电机 驱动系统,并与相同功率等级的直流电机进行了性能对比。
2永磁同步电机
永磁同步电机的运行原理与电励磁同步电机相同,但它 以永磁体代替了励磁绕组,使电机结构较为简单,降低了加 工成本,且省去了容易出问题的换向器和电刷,提高了电机的 可靠性;又因没有励磁损耗,提高了电机的效率和功率密度。 图1所示是一种电动叉车用永磁同步电机的转子磁路图,该电 机采用磁钢内置式转子磁路结构。
1一轴2一转子导条3一永磁体
图1永磁同步电机的转子磁路结构
磁钢内置式转子的优点是漏磁系数小、动态性能好,特 别适合于动态性能要求比较高的电动叉车用永磁同步电机。其 磁路的不对称性所产生的磁阻转矩还有助于提高电机的过载 能力和功率密度,而且易于“弱磁”增速。电机具有低速大转 矩的特性,以保证车辆低温下所需的启动转矩;具有宽广的 工作速度范围,以满足车辆发电与助力的需求;并具有较高工 作效率。表2所列是一款6.5 kW永磁同步电机与常用直流电 机的性能比较。
表2电动叉车用同功率等级直流电机与永磁同步电机性能比较
序号 |
参数 |
直流电机 |
永磁同步电机 |
1 |
额定功率/kW |
6.5 |
6.5 |
2 |
额定转矩/N-m |
51.5 |
55 |
3 |
额定转速/(r/min) |
1200 |
1200 |
4 |
额定输入电流/A |
173 |
150 |
5 |
效率/(%) |
82.3 |
95.2 |
6 |
外形尺寸/mm |
0274 480 |
0240 390 |
3永磁同步驱动电机控制系统
永磁同步电机控制器系统采用直接转矩控制、空间矢量 控制和无速度传感器矢量控制等控制方式,具备高效率、高 性能、高可靠性,并具有将电动叉车的制动能量回馈给动力电 池组功能。控制系统具备与车辆其他系统间的CAN通信模块。 用控制器局域网(CAN)装备电动车辆的控制系统是当今国际 上最新控制技术之一,基于CAN总线的电动叉车控制系统已 是国际上各大叉车制造公司研究的热点。
永磁同步电机控制器通过对驱动电机的有效控制,实现 如下功能:①发电运行:用于在刹车制动时的能量回收;②电 动运行:驱动车辆,亦可用于加速时助力。
电机驱动硬件部分:电机控制器主要由集成DSP的高性 能Infineon XC2000系列嵌入式芯片、IGBT模块、驱动电路 模块和信号检测电路模块组成,通过检测反馈电流来实现对 驱动电机的闭环控制,采用多种传感器对整个系统进行监控, 以确保电机的可靠性与安全性。图2所示是驱动电机控制器 的硬件原理图。
图2驱动电机控制器硬件原理图
驱动电机控制器的主要保护功能包括电机温度故障保护、 电机控制器温度故障保护、直流母线过电压故障保护、直流 母线欠压故障保护、电机过载故障保护、电机过速故障保护、 电机控制器IPM故障保护、12 V控制电源故障保护、CAN通 信故障保护和整车控制指令异常故障保护等。
永磁同步电机控制器可以达到的技术指标功能如下:
输入电压波动范围:^±30% ;
通信控制接口 :两路CAN2.0B总线;
绝缘电阻:各端子对外壳大于25 MQ ;
具有故障自诊断功能:过压/欠压、过载、控制器 过温限功率输出、通信故障、极端温度关断等功能;
高效率工作区:75%的工作区效率大于90% ;
平均无故障时间:>3 000 h ;
转矩控制精度小于等于5% ;
最大控制速度和拐点转速比大于3 ;
峰值功率体积密度大于等于8 kW/L ;
电磁兼容性满足 GB/T18655—2002,GB/T17619— 1998的要求。
4结语
永磁同步电机及其控制系统是综合性能优良的一种车用 驱动系统,在电动叉车领域具有逐步替代直流电机和异步电机系统的趋势。